矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配

许晶晶,杨 维,张琳园

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)



矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配

许晶晶,杨 维,张琳园

(北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

摘 要:矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输当目标用户与协作伙伴的发送功率之和为定值时,因目标用户、协作伙伴与基站间的信道增益会随用户位置变化而变化,在目标用户和协作伙伴间采用等功率分配方案会造成功率资源的浪费。为充分利用有限的功率,保证目标用户的无线通信性能,在目标用户、协作伙伴和基站处设置接收信噪比门限,目标用户功率对总功率的功率分配比例ρ需满足目标用户、协作伙伴和基站接收的信噪比高于该接收信噪比门限。推导出了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA功率分配比例范围,并取分配比例范围的中间值作为目标用户与协作伙伴之间的功率分配比例。推导结果显示,功率分配比例随总功率和平均信道增益变化而变化,从而在用户位置改变或总功率变化时能动态地为目标用户和协作伙伴分配功率,实现了功率的自适应分配。仿真结果表明,与等功率分配方案相比,无论是目标用户位置变化还是总功率变化,采用所提出的自适应功率分配方案显著地减小了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA目标用户误比特率性能。

关键词:矿井巷道;编码协作;多载波码分多址;自适应功率分配

责任编辑:许书阁

许晶晶,杨 维,张琳园.矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配[J].煤炭学报,2015,40(8):1969-1976.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1391

矿井巷道时频编码协作MC -CDMA(Multiple Carrier-Code Division Multiple Access,多载波码分多址)无线传输可充分利用矿井巷道中开放的空时频资源来提高用户抗多径衰落能力,通过时频编码协作同时获取空间分集增益和编码增益,减小了基站与用户无线传输对信道状况变化的敏感度,从而有效地提高了矿井无线通信系统的鲁棒性[1-4]。

矿井巷道时刻受到瓦斯等易燃易爆有害气体的威胁,矿井巷道中的无线通信系统必然为功率受限系统,提高矿井巷道中无线传输设备的功率效率,可进一步降低无线设备的发射功率,避免无线设备可能引起的易燃易爆等有害气体爆炸,杜绝事故的发生。对于功率受限系统,目标用户和协作伙伴的功率分配会影响无线系统的误比特率及中断概率等[5-6]。如文献[7]提出了在瑞利衰落信道下,每个时间周期目标用户和协作伙伴的总功率为定值,第1时隙按固定比例为目标用户分配功率,第2时隙目标用户及其协作伙伴平分剩余功率的功率分配策略,实现了中断概率的最小化。

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配是在目标用户和协作伙伴总功率为定值时或目标用户在矿井巷道中的位置变化时基站动态地为目标用户和协作伙伴分配功率来保证信道状况较差的目标用户的无线通信性能。为使目标用户解码后的误比特率性能满足一定的要求,提出在目标用户、协作伙伴及基站处设置接收信噪比门限,当目标用户和协作伙伴各自分得的功率使对方接收到信号的信噪比高于该信噪比门限时,目标用户和协作伙伴可相互正确解码实现相互协作[8]。基站在合并第1时隙目标用户和第2时隙协作伙伴两个独立衰落信道传输信号后的信噪比高于该门限时可正确解码目标用户的信息[9]。基于这一策略,推导出了在矿井巷道信道下目标用户功率/总功率的功率分配比例ρ的范围,选取功率分配比例范围两边界的中间值作为目标用户与协作伙伴之间的功率分配比例,实现了基站根据目标用户在矿井巷道中的位置或目标用户和协作伙伴总功率的变化自适应地为目标用户和协作伙伴分配功率。与等功率分配方案相比,采用所提出的自适应功率分配方案进一步改善了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统无线传输性能,提高了系统的功率效率,也为进一步降低系统的功率创造了条件。

1 矿井MC-CDMA编码协作系统

1.1 系统模型

图1(a)为矿井巷道的信道模型,将矿井巷道等效为宽2a,高2b,长D的长方体,为便于分析,假设基站位于所考虑小区巷道的中部,以长方体中心为坐标原点建立直角坐标系。假设系统中有N个用户随机地分布在矿井巷道中,各用户之间和各用户到基站之间的信道相互独立[9],基站可利用RSSI等定位方法得到目标用户的位置信息。图1(b),(c)分别为一个周期的两个时隙目标用户和协作伙伴的传输情况。

图1　系统模型Fig.1 System model

图2 ( a), ( b)分别是矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配发射机和接收机,基站和各移动用户均为单天线,且收发双方均已知信道状态信息[10]。图2(a)中V1s和V1p分别为目标用户和协作伙伴的原始分组比特流经过BPSK调制、加CRC校验位和卷积编码后形成信道编码帧,分别作为目标用户与协作伙伴信道码的第1部分,用于第1时隙的传输;再对第1部分的信道码和进行时频编码形成目标用户和协作伙伴信道码的第2部分和,用于第2时隙的传输。信道码和(t = 1,2) 经MC-CDMA调制后所得信号和经自适应功率分配后由天线进行信号发射。

在图2(b)自适应功率分配接收框图中,目标用户和协作伙伴接收时,目标用户和协作伙伴对所接收到的信号和进行MC-CDMA解调得到协作伙伴和目标用户对应信道编码帧的估计值和;在基站接收时,基站对第1时隙接收到的信号与第2时隙接收到的信号进行等增益合并所得信号yd进行MC-CDMA解调,得到对应信道编码帧的估计值和。

图2　自适应功率分配MC-CDMA发射机和接收机Fig.2 Transmitter and receiver of MC-CDMA system with adaptive power allocation

1.2 信道模型

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统自适应功率分配需基于目标用户、协作伙伴和基站间的信道增益,而信道增益取决于矿井巷道中电磁波传播特性。矿井巷道信道模型可采用由几何光学(geometrical optical,GO)模型和波导(Waveguide)模型组成的混合模型[12],所以矿井巷道信道模型相当于具有多个模式的波导模型。利用边界条件解波导的麦克斯韦方程,可以得到电磁场分布的多个解,每个解对应于一个传播模式(m,n),m和n为模式阶数,分别表示电磁波经巷道垂直墙壁和水平墙壁反射的次数,m,n越大传播模式的阶数越高。每种传播模式的场强分布、衰减系数及相移系数分别[11]为

式中,m为偶数时,φx= 0;m为奇数时,φx= p/2;n为偶数时,φy=p/2;n为奇数时,φy=0;和分别为巷道水平和垂直墙壁的电参数;k为巷道电磁波数。

式中,εa,εh,εv分别为巷道中空气、水平墙壁和垂直墙壁的相对介电常数;σa,σh,σv分别为它们的电导率;ε0为真空介电常数;μ0为巷道中空气、水平墙壁和垂直墙壁的磁导率;f为电磁波载波频率,对于矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统f分别对应第nc个子载波的中心频率fnc。

对于矿井巷道中电磁波的多模传输,把不同传播模式对应的不同电磁波强度作为模式强度,那么每个传播模式(m,n)的模式强度Cmn为

用hi,j表示矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统任意的发送端i(x0,y0,z0)和接收端j(x,y,z)之间的信道增益,如图1(a)矿井巷道模型所示。由于每个子载波的信道增益可由m+n<10即较强的前50个模式的场强之和得到[12],则矿井巷道内点i与点j之间第nc个子载波对应的信道增益可表示为

其中,Gt,Gr分别为发射天线和接收天线的增益; Nmode为50个模式的集合。式(1)各模式的场强分布显示各模式场强取决于接收端的横坐标x和纵坐标y,各模式的模式强度计算式(7)显示各模式强度取决于发送端横坐标x0和纵坐标y0。因此,从式(8)子载波信道增益公式可以看出,当收发天线增益确定后,矿井巷道中用户的每个子载波信道增益取决于其坐标即用户的位置。当用户间的距离变化即用户的坐标变化时,由于式(8)中的负指数函数是关于|z-z0|单调递减的,所以在用户间的距离变大时,用户间的信道增益在整体上是呈衰减趋势的,但由于各模式场强关于x,y为非单调函数,所以当用户间的距离变大时在某些位置信道增益会出现增大的波动现象。

2 自适应功率分配

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统自适应功率分配是在目标用户和协作伙伴的总功率或目标用户位置发生变化时自适应调节目标用户和协伙伴户间的功率分配比例,保证协作伙伴与目标用户能相互正确译码从而实现全分集增益[13],改善目标用户的通信性能。

假设图1(a)矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统每个用户一个周期的平均发送功率为P,每个用户同一周期的2个时隙平分该周期的功率,2P为目标用户和协作伙伴一个周期的总功率。设基站为目标用户和协作伙伴分配的功率分别为P1和P2,则图2(a)自适应功率分配环节后,目标用户和协作伙伴每个时隙的发送功率分别为0.5P1和0.5P2。

如图1(b),(c)所示,当矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统中目标用户和协作伙伴相互解码正确,实现全分集增益时:

(1)在第1时隙即t =1,目标用户以功率0.5P1广播信号,协作伙伴以功率0.5P2广播信号。目标用户接收到协作伙伴的信号为,协作伙伴接收到目标用户的信号为,基站在第1时隙接收到的信号为。

其中,hs,p,hs,d,hp,s和hp,d分别为图1(a)中目标用户到协作伙伴、目标用户到基站、协作伙伴到目标用户和协作伙伴到基站的信道增益,它们均是Nc维列向量,包含Nc个子载波信道增益,每个子载波的信道增益可由子载波信道增益公式即式(8)得到。np,s,ns,p和n0为矿井巷道中的信道噪声,不失一般性可假设是均值为0,方差为σ2的高斯白噪声。目标用户和协作伙伴对接收到的信号和按图2(b)矿井巷道时频编码协作MC-CDMA解调过程分别得协作伙伴和目标用户信道编码帧的估计值和并对和进行CRC检验,基站将第1时隙接收到来自目标用户和协作伙伴的信号后进行缓存,等待与第2时隙的信号合并。

(2)在第2时隙即t=2,协作伙伴相互合作,目标用户试图用自己的信道传输协作伙伴信道码的第2部分,协作伙伴试图在自己的信道上传输目标用户信道码的第2部分。如果在第1时隙双方CRC校验无误,则目标用户以功率0.5P1发送协作伙伴信号,协作伙伴以功率0.5P2发送目标用户信号。基站在第2时隙收到的信号为

将合并后的信号yd按图2(b)矿井巷道时频编码协作MC-CDMA解调过程解调,得目标用户和协作伙伴信道编码帧的估计值和。

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配系统中,定义功率分配比例ρ(0≤ρ≤1)[14]为

故有

为提高信道增益可能较差的目标用户的性能,目标用户与协作伙伴各自分得的功率应保证目标用户和协作伙伴间能够相互协作实现全分集增益,从而使目标用户的通信性能得到改善。因为信号到达接收端时的信噪比越高,解码成功的概率就越高,为保证目标用户的误比特率性能,即解码后误比特率满足一定要求,在目标用户和协作伙伴处设置接收信噪比门限η,当目标用户和协作伙伴间接收到对方的信噪比高于门限η时可相互成功解码,实现相互协作。为使基站最终能够正确解码目标用户的信息,基站处也设置接收信噪比门限η,只要第1时隙目标用户传送和第2时隙协作伙伴传送的两路独立信号合并后的信号信噪比高于该门限就可正确解码目标用户信息。综上,分配给目标用户和协作伙伴的功率应满足

式(17)~(19)左边分别为协作伙伴接收到目标用户的信号、目标用户接收到协作伙伴的信号和基站最终得到目标用户信号的信噪比。表示发送端i到接收端j共Nc个子载波的平均信道增益

联立式(15)~(16)以及式(17)~(19)可得功率分配比例ρ的范围:

其中

取分配比例范围边界值的中间值为具体的功率分配比例ρ,则

因为ρ1+ρ3=1,如果式(22)的右边界取ρ2,ρ3中的较小者满足式(17)~(19),但得出功率分配比例总是小于等于0.5,这使得目标用户分得的功率不超过P,加之目标用户信道状况可能较差,可能会导致目标用户的性能得不到提升反而会下降,使功率分配失去了意义。取ρ2,ρ3中的较大值,目标用户就会分配到较多的功率,从而避免了这一情况的发生。

由式(22)~(25)功率分配比例的计算式可得当噪声功率和接收信噪比门限一定时,功率分配比例取决于总的发送功率及目标用户到协作伙伴、目标用户到基站、协作伙伴到目标用户和协作伙伴到基站的平均信道增益,和。由子载波信道增益式(8)和平均信道增益式(20)可知矿井巷道中用户的平均信道增益取决于用户所处的位置,则功率分配比例直接与目标用户的位置相关,而采用等功率分配方案时由于没有考虑用户位置变化及目标用户与协作伙伴总功率的变化,就会导致功率浪费,降低了功率效率。因此,当目标用户位置变化或目标用户和协作伙伴总功率变化时,采用所提出的自适应功率分配方案,基站能够根据目标用户位置和总功率自适应分配功率,这样就提高了功率效率,使目标用户和协作伙伴能够相互协作,实现全分集增益,提高了基站解码目标用户和协作伙伴信息的正确率,改善了巷道中位置较差目标用户的通信性能。

当基站检测到目标用户移动或总功率变化时,基站按一定规则重新为目标用户选定协作伙伴[8],并根据所提的矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配算法为目标用户和协作伙伴分配功率。基站分配功率的具体步骤为

①根据目标用户和协作伙伴在巷道中的位置即坐标,依据子载波信道增益式(8)和平均信道增益式(20)计算出目标用户到协作伙伴、目标用户到基站、协作伙伴到目标用户和协作伙伴到基站的平均信道增益,和;

②根据所得到的平均信道增益及目标用户与协作伙伴的总功率计算出式(22)~(24)的功率分配比例的边界值,进而计算出式(25)的功率分配比例ρ;

③基站按比例为目标用户分配2ρP的功率,为协作伙伴分配2(ρ-1)P的功率。

3 仿真结果

为评估所提矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配算法的性能,采用Matlab对用户误比特率性能进行了蒙特卡洛仿真。假设图1所示的矿井巷道,宽2a=10 m,高2b=6 m,长D=1 200 m,不失一般性,以长方体中心为坐标原点建立直角坐标系,基站的坐标为(2.5,-1.5,0),矿井巷道中用户坐标为(2.5,1.5,d),d为用户在z轴上的坐标,0

图3(a)给出了依据子载波信道增益式(8)和平均信道增益式(20)计算出的矿井巷道中用户到基站的平均信道增益随用户到基站距离变化的情况。图3(a)显示距离基站150 m左右的用户到基站的信道增益较大,距离基站350 m左右的用户到基站的信道增益较小,不妨假设目标用户距离基站350 m,协作伙伴距离基站150 m。

图3　用户到基站平均信道增益及接收信噪比随距离的变化Fig.3 Average channel gain and SNR changes with thedistance between user and base station

图4为距离基站350 m的目标用户和距离基站150 m的协作伙伴在等功率分配下的误比特率性能。由图4可以得到,当目标用户的误比特率为1%时目标用户的发射信噪比至少为44 dB。根据基站接收到目标用户信噪比式(19)得对应的接收信噪比为25 dB。不失一般性,为使目标用户误比特率低于1%,式(17)~(19)中对应的协作伙伴、目标用户和基站处的接收信噪比门限η都设为25 dB。

图4　目标用户和协作伙伴的误比特率性能Fig.4 BER performance of target user and cooperative partner

矿井巷道时频编码协作MC-CDMA系统中把到基站的信噪比高于门限η的用户作为协作伙伴备选组,例如图1系统模型中椭圆内的用户,目标用户在协作伙伴备选组中选取到目标用户信道增益最大的用户作为协作伙伴。图3(b)为目标用户与协作伙伴总功率与噪声功率之比2P/σ2为55 dB且目标用户位于基站的右侧并向远离基站的方向移动时,到达基站的接收信噪比情况,“0”表示接收信噪比高于25 dB,不需要其他用户协作;“1”表示接收信噪比低于25 dB,需要选取协作伙伴。

由于矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配系统目标用户和协作伙伴的功率分配比例取决于目标用户的位置和目标用户与协作伙伴的总功率2P,因此仿真分别讨论了目标用户位置和目标用户与协作伙伴总功率对功率分配比例的影响,进而讨论它们对用户误比特率的影响,并用分配比例P1/ 2P=0.5和P1/2P = 0.4作对比,从而更好的评估矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配方案的效果。

当目标用户与协作伙伴的总功率保持不变时,目标用户与协作伙伴间的功率分配比例只取决于目标用户和所选协作伙伴的位置。图3(a)到基站的平均信道增益随用户位置变化曲线显示当目标用户位于距基站240~400 m和480~600 m时,信道状况较差,由图3(b)也可以看出,目标用户移动到距基站240~400 m和480~600 m时,到基站的接收信噪比低于门限25 dB,需要通过协作伙伴的协作来提高目标用户的误比特率性能。不妨假设目标用户从距离基站右侧240 m处开始向远离基站方向移动到400 m,表1为目标用户与协作伙伴的总功率与噪声功率之比2P/σ2为55 dB时,目标用户与协作伙伴间功率分配比例ρ随目标用户到基站距离的变化情况。由表1可以看出,目标用户到基站信道增益越小,功率分配比例越大,但分配比例随目标用户到基站的距离呈非线性变化,这与图3(a)信道增益随距离的变化情况基本一致。

表1　分配比例随距离的变化Table 1 Distribution ratio changes with distance

图5给出了目标用户和协作伙伴总功率不变时,按照上表中的比例进行矿井巷道时频编码协作MCCDMA自适应功率分配与等功率分配及分配比例小于0.5时目标用户与协作伙伴的误比特率随距离变化的对比情况。由图5可以看出,目标用户在所提的自适应功率分配方案下的误比特率最低,除个别位置外如距离基站380 m左右的位置,目标用户的误比特率均保持在0.02以下。当分配比例取0.4时,由于目标用户分得的功率太少而导致其误比特率性能大大下降,如目标用户位于距基站380 m时,采用自适应功率分配的误比特率比分配比例为0.4时的误比特率降低了0.08,所以式(21)功率分配比例ρ的右边界应取ρ2,ρ3中的较大者,从而避免了功率分配比例低于0.5的情况。

图5　误比特率性能随目标用户位置变化情况Fig.5 Bit error rate varies with the location of target user

图3(b)的基站接收随距离的变化显示,位于距离基站较远480~600 m用户的平均信道增益较小,需要选取协作伙伴。假设目标用户位于距基站550 m的位置处,功率分配比例ρ的计算式(22)~(25)显示目标用户与协作伙伴之间的功率分配比例与两者的总功率有关。表2为目标用户距基站550 m时,按式(25)得到的目标用户与协作伙伴间功率分配比例ρ随总功率与噪声功率之比2P/σ2的变化情况。表2显示总体上功率分配比例随总功率增加而非线性递减,这主要是由于功率分配比例不仅与总功率有关,还与图3(a)信道增益随距离的变化情况有关。

图6为目标用户距离基站550 m时,按照表2中的比例进行矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配与采用等功率分配及分配比例小于0.5时相比,目标用户与协作伙伴的误比特率随2P/σ2变化的对比情况。由图6可以看出,相比于等功率分配及分配比例小于0.5时的功率分配方案,采用所提出的自适应功率分配方案时目标用户的误比特率性能最好,分配比例为0.4时目标用户的误比特率性能最差。在目标用户具有相同误比特率下,如目标用户的误比特率为0.45时,采用所提自适应功率分配方案所对应的总功率与噪声功率之比2P/σ2比等功率分配少2 dB左右,比分配比例为0.4时少4 dB左右。

表2　分配比例随2P/σ2的变化Table 2 Distribution ratio changes with 2P/σ2

图6　误比特率性能随2P/σ2变化情况Fig.6 Bit error rate varies with 2P/σ2

4 结 论

针对矿井巷道下用户间信道增益随用户位置变化的特性,提出了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配方案。当目标用户和协作伙伴的总功率受限时,目标用户和协作伙伴的功率分配比例随目标用户位置和目标用户与协作伙伴发送总功率变化而变化,从而实现为目标用户自适应分配功率。蒙特卡洛仿真结果表明,矿井巷道时频编码协作MCCDMA采用所提出的自适应功率分配方案可有效地改善信道条件较差目标用户的误比特率性能,进而有效地改善了矿井巷道时频编码协作MC-CDMA无线传输的整体性能,提高了系统的功率效率,也为进一步降低系统的功率创造了条件。

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Adaptive power allocation for time-frequency coded cooperation MC-CDMA system in mine roadway

XU Jing-jing,YANG Wei,ZHANG Lin-yuan

(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract:The sum of transmission power of the target user and collaborative partner is a fixed value in the system.As the channel gains among target users,collaborative partner and base station vary with the changes of the location of users,the equal power allocation scheme between target user and collaborative partner for the time-frequency coded cooperation MC-CDMA may result in the waste of power resource.In order to make full use of the limited power and ensure the performance of wireless communication of target users,a SNR (signal-to-noise ratio) threshold at the target user,collaborative partner and base station was set up.It should be guaranteed that the received SNRs at the target user,collaborative partner and base station were larger than the threshold with the power distribution ratio ρ which was the power of target user to that of total power.The range of power distribution ratio for the time-frequency coded cooperation MC-CDMA was deduced,and the median value of the range was taken as the ratio between target user and collaborative partner.Since the power distribution ratio varies with the total power and average channel gain,the power of target user and collaborative partner can be allocated dynamically to achieve the adaptive allocation of power.Simula-book=1970,ebook=265tion results show that,whether the position of target user changes or the total power changes,the BER (bit error rate) performance of target user for the coded cooperation MC-CDMA is improved significantly with the proposed adaptive power allocation scheme compared with the equal power allocation scheme.

Key words:mine tunnels;coded cooperation;multiple carrier-code division multiple access (MC-CDMA);adaptive power allocation

通讯作者:杨 维(1964—), 男,北京人,教授。Tel:010-51682162,E-mail:wyang@ bjtu.edu.cn

作者简介:许晶晶(1990—),女,河北邢台人,硕士研究生。Tel:010-51466854,E-mail:13120150@ bjtu.edu.cn。

基金项目:国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2013BAK06B03);国家自然科学基金资助项目(51274018)

收稿日期:2014-10-20

中图分类号:TD655

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1969-08